nell Automotive CF3000 Engineering & Electronics

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1 L utilizzo dei controlli Real Time nell Automotive Flavio Corradini CF3000 Engineering & Electronics

2 L evoluzione Ingegneria elettronica nel 1988: Sono nati i microcontrollori a basso costo L elettronica digitale sta facendosi spazio sull elettronica analogica Arrivano i primi personal computers Non esiste l hard disk, si usa il DOS su floppy

3 L automotive nel 1988 Il carburatore Weber domina il mondo L accensione a transistor elimina i contatti tti striscianti i ti L iniezione Accensione Weber (IAW) e nata sulla Ferrari GTO La strumentazione e elettromeccanica

4 Prime iniezioni i i i elettroniche Programmazione software in Assembler Studio di nuovi controlli con Centro Ricerche Fiat Vetture di sperimentazione: Lancia Delta Integrale Ford Sierra Cosworth Lancia Delta Integrale, Ford Sierra Cosworth, Ferrari

5 Direttive anti inquinamento DIRETTIVA ARGOMENTO DATA INTRODUZIONE 91/441/CEE Euro 1 Modifica la 70/220/CEE 26/06/ /59/CE Nuovi limiti emissioni 01/10/ /12/CE Nuovi limiti emissioni 19/04/ /44/CE Euro 2 Modifica metodi rilevamento emissioni 01/07/ /69/CE Emissioni veicoli 01/10/1996 benzina, gasolio

6 I controlli Tra i vari softwaristi, si distinguono quelli con metodo empirico i e quelli che riescono ad applicare al motore endotermico le teorie di controllo Mentre gli ingegneri meccanici faticano a capire l elettronica elettronica, gli ingegneri elettronici piu preparati non sfigurano nell affrontare e risolvere elettronicamente problemi meccanici del motore

7 La specializzazione Corso professionale post laurea sui controlli robusti al prestigioso MIT di Boston

8 Al giorno d oggi Tutti i motori hanno controllo elettronico a microprocessore I nuovi requisiti di autodiagnosi in tempo reale spingono a verifiche sempre piu sofisticate

9 Infomobilita Gestione GPS per Sistemi di navigazione Gestione informativa di bordo

10 Ripartizione i microprocessori i / microcontrollori Computer Generici (PC, workstations, mainframes) 95% 5% Sistemi Embedded (cellulari, telecamere, Veicoli, ecc.)

11 Criticita Real Time Automotive Sistemi operativi real time Campionamenti Filtraggi

12 Input dall utente t L interazione può avvenire tramite pulsanti o manopole. UP SET DOWN ESC Utilizzo combinato di manopola con 2 pulsanti (SET e ESC). La manopola consente di muoversi tra le voci disponibili mentre i 2 pulsanti permettono di selezionare o uscire dalla funzione. UP SET ESC Utilizzo di 4 pulsanti, può rallentare la navigazione in liste lunghe. DOWN

13 Input dall utente t Gli eventi sui pulsanti possono essere associati alla pressione o al rilascio dei pulsanti stessi. Nel secondo caso è possibile associare eventi differenti in base alla durata della pressione del pulsante. (Es. pressione breve esegui A, pressione lunga esegui B). In questo caso la pressione del pulsante abilita un timer. PREMUTO RILASCIATO Start Timer Esegui A Esegui B T

14 MECCANICO Input dall utente t TOUCH SCREEN MISTO

15 In particolari occasioni visualizzare su grafico i segnali di interesse risulta meno chiaro rispetto alla visualizzazione i diretta sulla strumentazione t

16 La modifica di parametri del modello può avvenire direttamente attraverso l interfaccia grafica che riproduce la strumentazione.

17 Esempio di modello virtuale di cruscotto Con particolari tools (es. Altia) è possibile animare rapidamente l intera strumentazione

18 Con il partizionamento grafico è possibile testare C-Code funzionalità differenti. Model Based C-Code Model Based C-Code Model Based Ogni porzione di interfaccia è collegata a un Ogni porzione di interfaccia è collegata a un modello (o codice)

19 La comunicazione può avvenire via TCP C-Code Model Based Lan - Internet TCP C-Code Model Based

20 L C i d iù i f Al i La Connection permette ad una o più interfacce Altia di interagire con un modello Simulink

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22 Nelle Chart di Stateflow è possibile fare chiamate alle API di Altia. Questa funzionalità è utile quando si intende visualizzare sull interfaccia delle stringhe di testo. Modello Completo File.dsn Modello API Macchina a stati

23 Applicazione Altia API Codice utente Logica (logica di controllo dell applicazione)

24 Integrazione con codice esistente Sviluppo interfaccia Sviluppo codice di controllo Codice utente Altia API I/O API

25 E possibile integrare codice generato da altri tool di simulazione (es. RTW) altia Applicazioneione Modello Modello altia Macchina a stati Macchina a stati

26 Simulazione dell intero modello Applicazione Codice Gestione Display LOGICA Codice Gestione Pulsanti Virtuali int readbutton() { } readvirtualbutton();

27 Display Simulato - Cruscotto Reale Prototipo Reale TCP CAN Applicazione Codice Gestione Display LOGICA Codice Gestione Pulsanti Reali int readbutton() { } readrealbutton();

28 Display Simulato - Cruscotto Reale Applicazione

29 Rapid Prototyping Codice Gestione Display HOST HW Real Time LOGICA Codice Gestione Pulsanti Reali int readbutton() { } readrealbutton(); TARGET RT

30 Generazione di codice con DeepScreen Applicazione i Codice Interfaccia Codice Gestione Display LOGICA Codice Gestione Pulsanti Reali int readbutton() { } readrealbutton();

31 Definire Dati ed Eventi con Simulink/Stateflow t Si devono definire i dati e gli eventi prima di verificare il diagramma Stateflow Usare il menu Add per definire un nuovo oggetto dato o evento Cambiare sempre il nome di default

32 Dati ed Eventi con l Explorer Menus for adding, moving, and removing data and events The current selection Simulink is highlighted Model (Machine) Stateflow Block (Chart) State/Substates Data and events defined within the current selection All open Simulink models which h contain Stateflow blocks are listed here.

33 Interfacciare Stateflow/Simulink Data and Events servono come input e output tra Simulink e Stateflow Inputs I Data inputs rappresentano valori numerici, il flusso di segnale di Simulink. Gli Event inputs corrispondono a triggers in Simulink. Le occorrenze degli eventi sono semplicemente I fronti per la simulazione Outputs I Data outputs sono usati come segnali Simulink Gli E t t t t i ti i lt i Gli Event outputs sono triggers usati in altri blocchi Stateflow e sottosistemi triggerati

34 Simulink Inputs Events are grouped together as a vector and the index is specified Data is separated into different inputs and the port is specified

35 Simulink Outputs t Data and event outputs to p Simulink originate as separate signals. You specify the port.

36 Cosa significa Event Driven? La Stateflow chart viene eseguita solo quando il segnale di trigger va a zero At times of zero crossing the Stateflow block executes. t The Stateflow t block executes as a result of another signal.

37 Eventi in Simulink Blocks with outputs that cross zero. Step Functions Pulse Generators set_param( param('x/constant','value','0') 0) HG Callback to a Constant Block Manual switch between zero and one

38 Esempio MASTER e SLAVE Il MASTER (antislittamento) decide di attuare una riduzione di coppia motrice La centralina SLAVE (controllo motore) diminuisce la potenza erogata dal motore

39 Arbitraggio Quando ci sono dei conflitti tra le centraline un arbitro deve prendere una decisione Le priorita di arbitraggio devono essere ben valutate a priori i

40 Progettazione a strati dei sistemi embedded System specification level Level 0: Requirements level Level 1: Architecture level Level 2: Implementation level Inter-level transformation: Is modeled by Is implemented by Level specification languages: Matlab, Actia C Exploration search area Level 3: Realization level Compiles into Machine code, Connected hardware modules

41 Progetto di ECU controllo motore Specifiche della centralina di controllo motore Simulazione funzionale Partitioning i e Mapping Ottimizzazioni

42 Controllo motore Calcolare il tempo di iniezione ottimale Minor consumo carburante Minori emissioni inquinanti Maggiori coppia e potenza Necessario trovare un trade-off tra requisiti in conflitto

43 Controllo motore Air_temp, Water_temp, Accelerator, Battery, Air_pressure Analog Acquisitions Processed analog inputs Crankshaft, Camshaft Frequency Acquisitions RPM Phase Control Strategy Control Drivers Tre fasi Acquisizione, Controllo, Attuazione Injection Others

44 Specifiche della ECU Funzionalita principale di una ECU Tre blocchi gerarchici Analog Acquisitions, Frequency Acquisitions, Control and Drivers. Matlab usato per tutti I moduli Simulink usato per simulazione, partitioning and mapping

45 Specifiche per i sensori Tensione batteria: per determinare il comportamento t di alcuni attuatori t Debimetro, per calcolare il flusso d aria entrante Sensore di posizione acceleratore Sensori di temperature aria e acqua Sensore di posizione con ruota fonica, che misura la rotazione del motore contando I denti che passano di fronte a un sensore induttivo Posizione albero a camme, usato alla ruota fonica dei giri motore per identificare la fase di ogni pistone

46 Esempio specifica di un modulo module Compute_T_Inj: input RESET, VOLT_BATT: integer, Q_Fuel: integer; output TIME_Inj: integer; constant G_INJECT: integer; function sb_ itp_ CKBATT(integer): g integer; ; var k_batt, q_fuel_curr, time_inj, volt_batt: integer in loop k_batt := 0; q_fuel_curr := 0; time_inj := 0; volt_batt := 0; do loop await [VOLT_BATT or Q_FUEL]; present VOLT_BATT then if (?VOLT_BATT<>volt_batt) then volt_batt :=?VOLT_BATT; end if; end present; present Q_Fuel then k_ batt := sb_ itp_ CKBATT(volt _ batt); q_ fuel_ curr :=?Q_ Fuel+(?Q (Q_ Fuel*k_ batt)/256; time_inj := (G_INJECT*q_fuel_curr)/ 32; emit TIME_Inj(time_inj); end present; end loop; watching RESET; end dloop end var end module

47 Simulazione funzionale Modello semplificato del motore, usando blocchi funzionali speciali La temporizzazione non e considerata Uscite e stati verificati usando display grafici e testuali V ifi i i t t t Verifica raggiungimento comportamento corretto in tutte le condizioni operative

48 Partitioning and Mapping Motorola a 16 MHz microprocessore scelto Prima, partitioning grossolano cambiando l implementazone di intere unita Poi, partitioning i fine guardando d I singoli moduli entro una unita Considerata anche la politica di schedulazione per i componenti software

49 Partitioning and Mapping La sintesi del software e la stima del tempo di esecuzione permettono una esplorazione rapida dello spazio di progetto Si possono simulare e stimare parecchie implementazioni differenti Gli obiettivi mancati identificano I comportamenti critici, di solito portando a risultati sbagliati C t t t l t ll CPU Comportamento temporale assegnato alla CPU Timing Processing Unit (TPU)

50 Partitioning and Mapping Partitioning iniziato con un implementazione completamente hardware Gradualmente spostati blocchi verso il software Scoperto ad esempio che il collo di bottiglia sta nel modulo delle acquisizioni i i i in frequenza Determinato che il problema risiede nella latenza elevata nel reagire agli eventi entranti Uno schedulatore con arbitraggio puo risolvere Uno schedulatore con arbitraggio puo risolvere il problema

51 Partitioning and mapping Analog Acquisitions A i iti Missed No missed deadlines! Frequency Acquisitions TPU CPU Control & Drivers HW Fast Round Preemptive Very fast Robin scheduler Expensive scheduler PWM and PWM Freq. Timer Acq. and on Timer Mixed the TPU on the HW/SW TPU

52 Partitioning and Mapping Analog Acq Freq Acq Control TPU Scheduler Miss Driver HW HW HW - - NO SW HW HW - RoundRobin NO SW HW SW Driver RoundRobin NO SW SW SW Driver Freq.Acq. SW SW/HW SW Driver Freq.Acq. q SW SW SW Driver (high priority) Freq.Acq. RoundRobin RoundRobin Interrupt YES YES NO

53 Scheduling chart

54 Ottimizzazioni La granularita del progetto ha un grosso impatto sulle prestazioni e sui costi I moduli vengono svolti in catena per redurre la sovrapposizione di scheduling e comunicazione Viene effettuato t il merge dei moduli per ridurre la dimensione del codice I risultati sono comparabili a quelli di altre implementazioni sia come costi che come prestazioni, i ma con minore tempo

55 Simulatori RTHIL Realtime Hardware In The Loop

56 Tipi di input/output Campionamento dei valori Filtraggi hardware e software dei segnali

57 Discretizzazione segnali Il microcontrollore e una macchina che funziona a step I segnali che dobbiamo trattare sono continui E i i di di ti li d E necessario quindi discretizzarli, creandone una rappresentazione sufficientemente veritiera

58 Campionamento Il microcontrollore raccoglie quindi in certi istanti dei campioni del segnale da misurare La sequenza dei campioni viene memorizzata per l opportuna ricostruzione del segnale desiderato

59 Frequenza e fasatura di campionamento La frequenza di campionamento e determinante per il segnale Anche la fasatura del campionamento pero e molto importante per acquisire un valore significativo

60 Fasatura La fasatura del campionamento puo essere fatta su base tempo o su base evento Un esempio della fasatura su base evento e la fasatura su base angolare rispetto all albero motore

61 Sperimentazione La fasatura corretta dipende dal fenomeno che dobbiamo gestire Spesso sono necessarie parecchie prove sperimentali per determinare la fasatura migliore

62 Filtraggio dei segnali Un segnale e sempre associato a disturbi estranei al suo significato primario Per eliminare i disturbi e assolutamente necessario un filtraggio

63 Filtraggio sofware Operazioni simili a quelle effettuate con l hardware possono essere effettuate con il software, ma con una metodologia completamente diversa Il sofware puo effettuare operazioni di filtraggio molto piu complesse, associando ad esempio l eliminazione dei disturbi alla linearizzazione delle curve dei sensori, ecc.

64 Matematica Con i filtraggi software si possono ottenere anche operazioni complesse, come filtri del secondo o terzo ordine Si puo anche inserire una diagnosi dipendente da una macchina a stati di validazione del disturbo

65 Contatto Tel Fax CF3000 Engineering&Electronics Via Tonino Gualtieri, Reggio Emilia Italy